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為了滿(mǎn)足IBM-PC機(jī)及其兼容機(jī)用于數(shù)據(jù)采集與控制的需要,國(guó)內(nèi)外許多廠商生產(chǎn)了各種各樣的數(shù)據(jù)采集板卡(或I/O板卡)。這類(lèi)板卡均參照IBM-PC機(jī)的總線(xiàn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)和生產(chǎn),用戶(hù)只要把這類(lèi)板卡插入IBM-PC機(jī)主板上相應(yīng)的I/O擴(kuò)展槽中,就可以迅速方便地構(gòu)成一個(gè)數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng),從而大大節(jié)省了硬件的研制時(shí)間和投資,又可以充分利用IBM-PC機(jī)的軟硬件資源,還可以使用戶(hù)集中精力對(duì)數(shù)據(jù)采集與處理中的理論和方法進(jìn)行研究、進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及程序的編制等。

分類(lèi)

基于PC總線(xiàn)的板卡種類(lèi)很多,其分類(lèi)方法也有很多種。按照板卡處理信號(hào)的不同可以分為模擬量輸入板卡(A/D卡)、模擬量輸出板卡(D/A卡)、開(kāi)關(guān)量輸入板卡、開(kāi)關(guān)量輸出板卡、脈沖量輸入板卡、多功能板卡等。其中多功能板卡可以集成多個(gè)功能,如數(shù)字量輸入/輸出板卡將模擬量輸入和數(shù)字量輸入/輸出集成在同一張卡上。根據(jù)總線(xiàn)的不同,可分為PXI/CPCI板卡和PCI板卡。

還有其它一些專(zhuān)用I/O板卡,如智能接口卡、虛擬存儲(chǔ)板(電子盤(pán))、信號(hào)調(diào)理板、專(zhuān)用(接線(xiàn))端子板等,這些種類(lèi)齊全、性能良好的I/O板卡與IPC配合使用,使系統(tǒng)的構(gòu)成十分容易。

如果是在比較好的現(xiàn)場(chǎng)或者實(shí)驗(yàn)室,如學(xué)校的實(shí)驗(yàn)室,就可以使用USB/PCI這種采集卡。和常見(jiàn)的內(nèi)置采集卡不同,外置數(shù)據(jù)采集卡一般采用USB接口和1394接口,因此,外置數(shù)據(jù)采集卡主要指USB采集卡和1394采集卡。

數(shù)據(jù)采集卡,絕大多數(shù)集中在采集模擬量、數(shù)字量、熱電阻、熱電偶,其中熱電阻可以認(rèn)為是非電量(其實(shí)本質(zhì)上還是要用電流驅(qū)動(dòng)來(lái)采集)其中模擬量采集卡和數(shù)字量采集卡用得是最廣泛的。

市場(chǎng)上新出一種二合一采集卡。二合一,指的是數(shù)字模擬采集卡,AV+DV采集卡,數(shù)字、模擬二合一,數(shù)字輸入輸出,模擬接口輸入(DV/AV/S-video)。

最后雖然說(shuō)是采集卡,但實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常需要它輸出控制信號(hào)。采集卡廣泛應(yīng)用于安防監(jiān)控、教育課件錄制、大屏拼接、多媒體錄播錄像、會(huì)議錄制、虛擬演播室、虛擬現(xiàn)實(shí)、安檢X光機(jī)、雷達(dá)圖像信號(hào)、VDR紀(jì)錄儀、醫(yī)療X光機(jī)、CT機(jī)、胃腸機(jī)、陰道鏡、工業(yè)檢測(cè)、智能交通、醫(yī)學(xué)影像、工業(yè)監(jiān)控、儀器儀表、機(jī)器視覺(jué)等領(lǐng)域。

● DV+AV+Audio全接口視頻捕獲卡,品質(zhì)與性能的完美結(jié)合,SMD貼片電容,做工精良

●全接口板卡,集成立體聲輸入端口,無(wú)需再轉(zhuǎn)接聲卡

●獨(dú)有音頻協(xié)處理功能,兩路立體聲輸入捕獲,聲音質(zhì)量大幅提高,并杜絕音頻、視頻不同

●低溫優(yōu)化設(shè)計(jì),保證超長(zhǎng)時(shí)間捕獲的穩(wěn)定性

●雜波屏蔽電路,使捕獲的圖像畫(huà)質(zhì)更清晰

●專(zhuān)業(yè)色鍵摳像功能,影片效果更精彩

●全接口配備,可捕獲任何視頻播放設(shè)備中的素材

輸入接口:AV/SVIDEO/DV

視頻:720X576/352X288

音頻:8/16/32/44。1/48

制式:N/P制

驅(qū)動(dòng):標(biāo)準(zhǔn)的DSHOW驅(qū)動(dòng)

數(shù)據(jù)采集卡

●通道數(shù):就是板卡可以采集幾路的信號(hào),分為單端和差分。常用的有單端32路/差分16路、單端16路/差分8路

●采樣頻率:單位時(shí)間采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù),與AD芯片的轉(zhuǎn)換一個(gè)點(diǎn)所需時(shí)間有關(guān),例如:AD轉(zhuǎn)換一個(gè)點(diǎn)需要T = 10uS,則其采樣頻率f = 1 / T為100K,即每秒鐘AD芯片可以轉(zhuǎn)換100K的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)。它用赫茲(Hz),常有100K、250K、500K、800K、1M、40M等

●緩存的區(qū)別及它的作用:主要用來(lái)存儲(chǔ)AD芯片轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。有緩存可以設(shè)置采樣頻率,沒(méi)有則不可以。緩存有RAM和FIFO兩種:FIFO應(yīng)用在數(shù)據(jù)采集卡上,做數(shù)據(jù)緩沖,存儲(chǔ)量不大,速度快。RAM是隨機(jī)存取內(nèi)存的簡(jiǎn)稱(chēng)。一般用于高速采集卡,存儲(chǔ)量大,速度較慢。

●分辨率:采樣數(shù)據(jù)最低位所代表的模擬量的值,常有12位、14位、16位等(12位分辨率,電壓5000mV)12位所能表示的數(shù)據(jù)量為4096(2的12次方),即±5000 mV電壓量程內(nèi)可以表示4096個(gè)電壓值,單位增量為(5000 mV)/ 4096=1.22 mV。分辨率與A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)有確定的關(guān)系,可以表示成FS/2。FS表示滿(mǎn)量程輸入值,n為A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。位數(shù)越多,分辨率越高。

●精度:測(cè)量值和真實(shí)值之間的誤差,標(biāo)稱(chēng)數(shù)據(jù)采集卡的測(cè)量準(zhǔn)確程度,一般用滿(mǎn)量程(FSR,full scale range)的百分比表示,常見(jiàn)的如0.05%FSR、0.1%FSR等,如滿(mǎn)量程范圍為0~10V,其精度為0.1%FSR,則代表測(cè)量所得到的數(shù)值和真實(shí)值之間的差距在10mv以?xún)?nèi)。

●量程:輸入信號(hào)的幅度,常用有±5V、±10V 、0~5V 、0~10V ,要求輸入信號(hào)在量程內(nèi)進(jìn)行

●增益:輸入信號(hào)的放大倍數(shù),分為程控增益和硬件增益,通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡的電壓放大芯片將AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行固定倍數(shù)的放大。由兩種型號(hào)PGA202 (1、10、100、1000) 和PGA203 (1、2、4、8)的增益芯片。

●觸發(fā):可分為內(nèi)觸發(fā)和外觸發(fā)兩種,指定啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換方式。

在一些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中,設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行容易出現(xiàn)故障,為了監(jiān)控這些設(shè)備,通常利用數(shù)據(jù)采集裝置采集他們

數(shù)據(jù)采集

運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)并送給PC機(jī),通過(guò)運(yùn)行在PC機(jī)上的特定軟件對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,以此判斷當(dāng)前運(yùn)行設(shè)備的狀況,進(jìn)而采取相應(yīng)措施。當(dāng)前常用的數(shù)據(jù)采集裝置,在其系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中,多采用單任務(wù)順序機(jī)制。這樣就存在系統(tǒng)安全性差的問(wèn)題。這對(duì)于穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性要求很高的數(shù)據(jù)采集裝置來(lái)說(shuō)是不允許的,因此有必要引入嵌入式操作系統(tǒng)。下面以μC/OSII為操作系統(tǒng)平臺(tái),基于ARM7系列處理器,對(duì)一種高性能的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開(kāi)發(fā)進(jìn)行探索。

操作系統(tǒng)簡(jiǎn)介

嵌入式操作系統(tǒng)μC/OSII(Microcontroller Operating System)是專(zhuān)為微控制器系統(tǒng)和軟件開(kāi)發(fā)而設(shè)計(jì)的公開(kāi)源代碼的搶占式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)內(nèi)核,是一段微控制器啟動(dòng)后首先執(zhí)行的背景程序,作為整個(gè)系統(tǒng)的框架貫穿系統(tǒng)運(yùn)行的始終。對(duì)于對(duì)實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性要求很高的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來(lái)說(shuō),引入μC/OSII無(wú)疑將大大改善其性能。

μC/OSII的特點(diǎn)可以概括為以下幾個(gè)方面:公開(kāi)源代碼,代碼結(jié)構(gòu)清晰、明了,注釋詳盡,組織有條理,可移植性好,可裁剪,可固化。內(nèi)核屬于搶占式,最多可以管理60個(gè)任務(wù)。μC/OSII自1992年的第一版(μC/OS)以來(lái)已經(jīng)有好幾百個(gè)應(yīng)用,是一個(gè)經(jīng)實(shí)踐證明好用且穩(wěn)定可靠的內(nèi)核。對(duì)μC/OSII的研究和應(yīng)用都很多。

系統(tǒng)基本工作原理

應(yīng)用時(shí),數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)置于被監(jiān)控的設(shè)備處,通過(guò)傳感器對(duì)設(shè)備的電壓或者電流信號(hào)進(jìn)行采樣、保持,并送入A/D轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字信號(hào),然后將該信號(hào)送到FIFO中。當(dāng)FIFO中存放的數(shù)據(jù)到了一定數(shù)目時(shí),由ARM7從FIFO中讀出,然后通過(guò)ARM7的以太網(wǎng)接口或者RS232送給上位機(jī)。考慮到要監(jiān)控的設(shè)備可能會(huì)很多,所以設(shè)計(jì)了多路采集通道,他們經(jīng)過(guò)模擬開(kāi)關(guān)后再進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器。CPLD是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心,他控制采集通道的切換、A/D轉(zhuǎn)換器的啟/停、轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)在FIFO中的存放地址發(fā)生器、產(chǎn)生中斷請(qǐng)求以通知ARM7讀取存放在FIFO中的數(shù)據(jù)等。

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)采用了Samsung公司的S3C4510B作為系統(tǒng)與上位機(jī)溝通的橋梁,S3C4510B是基于以太網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的高性?xún)r(jià)比16/32位RISC微控制器,他有如下幾個(gè)主要特點(diǎn):

硬件方面內(nèi)含一個(gè)由ARM公司設(shè)計(jì)的16/32位ARM7TDMIRISC處理器核,ARM7TDMI為低功耗、高性能的16/32核,最適合用于對(duì)價(jià)格及功耗敏感的應(yīng)用場(chǎng)合。S3C4510B通過(guò)在ARM7TDMI核內(nèi)容基礎(chǔ)上擴(kuò)展一系列完整地通用外圍器件。

片上資源包括2個(gè)帶緩沖描述符(bufferdescriptor)的HDLC通道;2個(gè)UART通道;2個(gè)GDMA通道;2個(gè)32位定時(shí)器;18個(gè)可編程的I/O口。還有中斷控制器;DRAM/SDRAM控制器;ROM/SRAM和FLASH控制器;系統(tǒng)管理器;1個(gè)內(nèi)部32位系統(tǒng)總線(xiàn)仲裁器;1個(gè)外部存儲(chǔ)器控制器等片內(nèi)的邏輯控制電路。

這些為μC/OSII的移植提供了優(yōu)良的物理資源。

軟件支持方面他有配套的代碼編輯調(diào)試環(huán)境ADS12和JTAG在線(xiàn)調(diào)試功能,使S3C4510B芯片軟件可以直接用C編寫(xiě),這就使μC/OSII的植入成為可能。

12位高速A/D轉(zhuǎn)換電路采用AnalogDevices的AD574,該電路輸出具有三態(tài)鎖存功能。預(yù)處理電路包括了電流電壓互感器、隔離電路和同步采樣電路,他可以將信號(hào)轉(zhuǎn)換成與AD574相匹配的量值,供后續(xù)處理。通訊電路采用常用的以太網(wǎng)接口與上位機(jī)相連,而232接口可作為備用,這樣該裝置既可作為便攜式系統(tǒng)使用,也可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)來(lái)對(duì)設(shè)備實(shí)施實(shí)時(shí)監(jiān)控。

軟件設(shè)計(jì)

軟件部分要分別編寫(xiě)S3C4510B部分的程序和CPLD控制程序。前者可分為μC/OSII的移植和各個(gè)應(yīng)用程序的編寫(xiě),后者用VHDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于S3C4510B部分,根據(jù)整個(gè)裝置實(shí)現(xiàn)的功能和對(duì)他的要求進(jìn)行系統(tǒng)任務(wù)分割,并根據(jù)實(shí)際需要為各個(gè)任務(wù)分配優(yōu)先級(jí)。系統(tǒng)大致可分為如下幾個(gè)任務(wù):初始化CPLD控制參數(shù);對(duì)FIFO的讀取;與上位機(jī)的TCP/IP通訊;與上位機(jī)的串口通訊。對(duì)應(yīng)每個(gè)任務(wù),需要編寫(xiě)相應(yīng)的應(yīng)用程序,軟件設(shè)計(jì)部分的關(guān)鍵技術(shù)有:

1、μC/OSII內(nèi)核向S3C4510B中的移植,要根據(jù)處理器的特點(diǎn)合理地修改μC/OSII的3個(gè)與處理器相關(guān)的文件:OS_CPUH,OS_CPU_AASM,OS_CPU_C.C。主要是將文件中的匯編指令,改為ARM7的匯編指令,并根據(jù)CPU的特點(diǎn)對(duì)文件中寄存器的初值進(jìn)行改寫(xiě)。

2、內(nèi)存配置問(wèn)題。對(duì)于存儲(chǔ)器容量的設(shè)計(jì),要綜合考慮μC/OSII內(nèi)核代碼和應(yīng)用程序代碼的大小。每個(gè)任務(wù)是獨(dú)立運(yùn)行的,必須給每個(gè)任務(wù)提供單獨(dú)的�？臻g(RAM),RAM總量的計(jì)算公式為:

RAM總量=應(yīng)用程序的RAM需求+內(nèi)核數(shù)據(jù)區(qū)的RAM需求+各任務(wù)棧需求之總和+最多中斷嵌套所需堆棧。

3、TCP/IP協(xié)議在μC/OSII中的實(shí)現(xiàn)。為了滿(mǎn)足嵌入式設(shè)備與Internet網(wǎng)絡(luò)直接交換信息的要求,在μC/OSII中又移植了LwIP協(xié)議棧。

LwIP是瑞士計(jì)算機(jī)科學(xué)院(SwedishInstituteofComputerScience)的AdamDunkels等開(kāi)發(fā)的一套用于嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)放源代碼TCP/IP協(xié)議棧。LwIP的含義是LightWeight(輕型)IP協(xié)議。LwIP可以移植到操作系統(tǒng)上,也可以在無(wú)操作系統(tǒng)的情況下獨(dú)立運(yùn)行。LwIPTCP/IP實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)是在保持TCP協(xié)議主要功能的基礎(chǔ)上減少對(duì)RAM的占用,一般他只需要幾十k的RAM和40k左右的ROM就可以運(yùn)行,這使LwIP協(xié)議棧適合在低端嵌入式系統(tǒng)中使用。

LwIP的特性有:支持多網(wǎng)絡(luò)接口下的IP轉(zhuǎn)發(fā);支持ICMP協(xié)議;包括實(shí)驗(yàn)性擴(kuò)展的的UDP(用戶(hù)數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議);包括阻塞控制、RTT估算、快速恢復(fù)和快速轉(zhuǎn)發(fā)的TCP(傳輸控制協(xié)議);提供專(zhuān)門(mén)的內(nèi)部回調(diào)接口(rawAPI)用于提高應(yīng)用程序性能。

LwIP可以很容易地在μC/OSII的調(diào)度下,為系統(tǒng)增加網(wǎng)絡(luò)通信和網(wǎng)絡(luò)管理功能。LwIP協(xié)議棧在設(shè)計(jì)時(shí)就考慮到了將來(lái)的移植問(wèn)題,他把所有與硬件,OS,編譯器相關(guān)的部份獨(dú)立出來(lái),放在/src/arch目錄下。因此LwIP在μC/OSII上的實(shí)現(xiàn)就是修改這個(gè)目錄下的文件,其他的文件一般不應(yīng)該修改。在驅(qū)動(dòng)中主要是根據(jù)S3C4510B內(nèi)的以太網(wǎng)控制特殊功能寄存器,編寫(xiě)網(wǎng)絡(luò)接口的處發(fā)送包、接收包函數(shù),初始化以及用于以太網(wǎng)控制器的外部中斷服務(wù)程序。